基于fds模擬的油罐火災(zāi)發(fā)展規(guī)律研究

基于fds模擬的油罐火災(zāi)發(fā)展規(guī)律研究

能源問題是一個重要的戰(zhàn)略問題?？沙掷m(xù)能源發(fā)展是當(dāng)今社會經(jīng)濟(jì)和諧發(fā)展的關(guān)鍵。能源發(fā)展形勢清楚地反映了經(jīng)濟(jì)發(fā)展的形勢。作為世界第二大石油消費國和進(jìn)口國,我國的石油能源對外依存度高達(dá)51.29%,這使得能源戰(zhàn)略儲備成為維護(hù)能源安全的重要舉措,也使得能源戰(zhàn)略儲備成為經(jīng)濟(jì)高效穩(wěn)定發(fā)展的重要保障。2003年,我國啟動了國家戰(zhàn)略石油儲備基地建設(shè),浙江寧波鎮(zhèn)海、浙江岱山、山東黃島、遼寧大連四大戰(zhàn)略石油儲備基地已基本建成。為了降低儲存成本,油品儲罐逐漸朝大型化方向發(fā)展。由于石油庫規(guī)模擴(kuò)大,儲油單罐容積增加,石油及其產(chǎn)品的儲存風(fēng)險勢必會增大。在儲運過程中,石油因為其易燃易爆性,極易發(fā)生火災(zāi)爆炸。自身危險性以及加大的石油儲備量使得石油儲備庫的危險性大大增加,一旦發(fā)生事故,將會給國家和人民的生命財產(chǎn)造成不可估量的損失。近50年來,國內(nèi)外油品儲罐共發(fā)生了200余起重大事故,多為火災(zāi)爆炸造成的惡性事故。1989年8月12日,中國石油總公司管道局勝利輸油公司黃島油庫發(fā)生了特大事故,由油罐火災(zāi)演化成揚沸火災(zāi),并發(fā)生了爆炸,造成19人死亡,100多人受傷,直接經(jīng)濟(jì)損失3540萬元。2005年12月11日,倫敦邦斯菲爾德油庫發(fā)生火災(zāi)爆炸事故,燒毀大型儲罐20余座,造成36人受傷,其中4人傷勢嚴(yán)重,直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)35億元。2010年1月7日,中國石油蘭州石化分公司316號罐區(qū)發(fā)生火災(zāi)爆炸事故,造成6人死亡、6人受傷(其中1人重傷)。保證油品的安全儲存,加強(qiáng)儲罐區(qū)的消防安全是當(dāng)前形勢下的一項重要任務(wù)。1罐區(qū)外輸系統(tǒng)寧夏惠安堡原油商業(yè)儲備油庫占地面積235907.8m２,建筑面積8741m２,原油儲罐區(qū)位于站內(nèi)東側(cè),占地面積152309m２,設(shè)計總庫容為120萬m３,建有鋼制外浮頂雙盤儲罐12座,單罐容積為10萬m３(儲罐分兩組設(shè)置,罐區(qū)設(shè)置防火堤,防火堤均為東西338m、南北223m,兩座罐組間設(shè)置消防道路,防火堤之間距離為20m)。同時具有500×10４t/a外輸能力的外輸系統(tǒng)1套,并設(shè)外輸計量,油庫與管道末站聯(lián)絡(luò)線,配套有原油倒罐系統(tǒng)、消防、公用工程及輔助系統(tǒng),屬于一級油庫。儲備油庫原油密度在20℃時為0.8425kg/cm３,脫水后含水量為0.28%。2fds模式計算2.1油罐總體特征結(jié)合工程實例,模擬計算的火災(zāi)場景設(shè)置如下:區(qū)域長、寬、高分別為350、160、160m,油罐高度22m、油罐直徑80m,燃燒物質(zhì)為原油。計算得熱釋放速率為2074kW/m２,油罐位置網(wǎng)格尺寸為0.1m,敞口面積為4776m２。炭黑生成比為0.1,輻射百分?jǐn)?shù)為0.08。罐體材料為鋼板,導(dǎo)熱系數(shù)49.8W/(m·K),熱擴(kuò)散率1.77E-5,比熱容0.47kJ/(kg·K),材料厚度10cm。地面材料為混凝土,導(dǎo)熱系數(shù)1.0W/(m·K),熱擴(kuò)散率5.7E-7,比熱容0.8kJ/(kg·K),材料厚度20cm。場景環(huán)境溫度29.5℃,考慮風(fēng)速:0、8m/s。示意圖如圖1所示。2.2模擬結(jié)果分析2.2.1煙氣蔓延結(jié)果圖2給出了無風(fēng)和有風(fēng)兩種情況下煙氣蔓延的結(jié)果。對比不同時刻的煙氣蔓延結(jié)果可以看出,在無風(fēng)時,煙氣基本上豎直向上運動,水平方向基本無運動。在有風(fēng)作用時,煙氣在風(fēng)的驅(qū)動下發(fā)生傾斜。隨著時間的增加,傾斜越來越明顯。2.2.2油罐邊緣至火焰內(nèi)部處溫度圖3給出了無風(fēng)和有風(fēng)兩種情況下油罐火焰溫度的變化。從圖中可以看出,從油罐邊緣至火焰中心線處溫度逐漸升高,這說明空氣是沿該方向卷吸的。無風(fēng)條件下油罐火焰的最高溫度約為815℃,而有風(fēng)條件下的最高溫度則稍低,約為665℃,與理論值基本相符。2.2.3有風(fēng)和有風(fēng)下油罐熱輻射熱輻射強(qiáng)度分析是評價油罐火災(zāi)危險性和制定防火間距的重要依據(jù),而火焰的熱輻射則是導(dǎo)致油罐間發(fā)生火災(zāi)蔓延的直接或間接原因。研究發(fā)現(xiàn),油罐間發(fā)生火蔓延一般不是由于發(fā)生火災(zāi)的油罐火焰直接烘烤造成的,而是由于相鄰罐溢流的燃料蒸氣引燃造成的。對于油罐火災(zāi),相鄰油罐燃料產(chǎn)生燃料蒸氣所需要的能量是由燃燒油罐火焰的輻射熱和對流熱提供的。因此,探討油罐火災(zāi)熱輻射特性,對于制定罐區(qū)預(yù)防措施,確定罐間距具有重要意義。圖4、圖5給出了無風(fēng)和有風(fēng)情況下罐上方不同高度處的輻射強(qiáng)度變化曲線。由圖可以看出,輻射熱在開始時迅速升高,5s后開始波動,且波動幅度較大,這和實際的火災(zāi)發(fā)展趨勢比較吻合,體現(xiàn)了熱釋放速率和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓?屬于非理想情況;有風(fēng)條件下油罐上方最大熱輻射強(qiáng)度高達(dá)180kW/m２,無風(fēng)條件下油罐上方的最大熱輻射強(qiáng)度要比有風(fēng)時的略小。此外,在有風(fēng)作用時,輻射強(qiáng)度先隨高度的增加而變大,在增加到一定值之后隨高度的增加而減小,最終穩(wěn)定在某個值附近。圖6、圖7給出了無風(fēng)和有風(fēng)情況下下風(fēng)向油罐上方不同高度處的輻射強(qiáng)度變化曲線。由圖可知,有風(fēng)作用時,下風(fēng)向油罐上方的熱輻射強(qiáng)度要比無風(fēng)時大5倍,這說明在風(fēng)的作用下,下風(fēng)向油罐受到的熱輻射強(qiáng)度變大,且輻射強(qiáng)度最大值可達(dá)17kW/m２。加之,火災(zāi)燃燒產(chǎn)生大量的煙顆粒也會加強(qiáng)火焰對周圍環(huán)境的熱輻射,在環(huán)境風(fēng)的影響下,著火罐產(chǎn)生的煙氣甚至可以將鄰近罐體覆蓋,這必將對鄰近罐造成更為嚴(yán)重的威脅。可見,在有風(fēng)環(huán)境下,著火罐對鄰近罐的熱輻射危險大大增加,常規(guī)的0.5D(此工程實例防火間距采用0.5D,現(xiàn)行規(guī)范對浮頂罐要求最小防火間距為0.4D,且可不考慮對鄰近罐的冷卻)的安全間距已不能保障鄰近罐體的安全。因此,當(dāng)其中某個油罐發(fā)生火災(zāi)時,如果在短時間內(nèi)不采取有效的措施進(jìn)行抑制,并對鄰近油罐采取冷卻等保護(hù)措施,可能會造成附近油罐著火或爆炸,導(dǎo)致火災(zāi)進(jìn)一步擴(kuò)大。圖8、圖9給出了無風(fēng)和有風(fēng)情況下下風(fēng)向后部油罐上方不同高度處的輻射強(qiáng)度變化曲線。對比兩圖可知,兩種場景下熱輻射強(qiáng)度無論在范圍還是變化趨勢上幾乎相同,熱輻射強(qiáng)度在1.5kW/m２以下,說明該罐距離著火罐較遠(yuǎn),在模擬時間內(nèi)受到的熱輻射影響較小。3加強(qiáng)油罐防火間距和冷卻保護(hù)上述數(shù)據(jù)分析說明按照現(xiàn)行《石油庫設(shè)計規(guī)范》、《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》及《原油和天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范》有關(guān)油罐區(qū)油罐防火間距以及鄰近油罐冷卻保護(hù)方面防火設(shè)計要求較低,尤其是在有風(fēng)環(huán)境下發(fā)生全面積敞口火災(zāi)事故時,給火災(zāi)撲救帶來困難。取風(fēng)速8m/s進(jìn)行研究,也是根據(jù)該工程實例所處地理位置常年氣象條件而定。為此,建議應(yīng)根據(jù)實際情況,做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整或采取有效的補(bǔ)救措施。(1)在規(guī)范要求的基礎(chǔ)上增加防火間距,尤其是經(jīng)常處在大風(fēng)環(huán)境下的油庫區(qū)應(yīng)視情加大防火間距。日本采用1.0D,美國消防協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為(D1+D2)/4,當(dāng)相鄰兩油罐直徑相等時,為0.5D。這就是說按我國規(guī)范設(shè)計的工程,其抗風(fēng)險事故的能力較低。(2)應(yīng)考慮對鄰近油罐的冷卻保護(hù)。按照GB50160-2008《石油化工企業(yè)設(shè)計規(guī)范》第8.4.4條規(guī)定,當(dāng)著火罐為浮頂、內(nèi)浮頂罐(浮盤采用易熔材料制作的除外)時,其鄰近罐可不考慮冷卻。其標(biāo)準(zhǔn)要求與發(fā)生池火災(zāi)情況下的消防實際要求不相適應(yīng)。筆者認(rèn)為,當(dāng)發(fā)生油罐(浮頂罐)火災(zāi)時,在無風(fēng)或風(fēng)力很小的情況下,除應(yīng)保證著火罐的消防冷卻水系統(tǒng)符合設(shè)計規(guī)范要求外,還應(yīng)考慮采用一定數(shù)量的移動式冷卻水系統(tǒng)如移動消防水炮、水槍等對相鄰罐體進(jìn)行冷卻保護(hù),重點針對著火罐有效地進(jìn)行滅火和保護(hù),減少不必要的資源浪費。而在有風(fēng)情況下,應(yīng)根據(jù)實際情況,池火火焰將偏向甚至直接烘烤位于下風(fēng)向的鄰近油罐。此時,除對著火罐進(jìn)行有效滅火和保護(hù)外,還應(yīng)采取強(qiáng)有力的措施,加強(qiáng)對鄰近罐的冷卻,以確保相鄰罐的安全,有效防止火災(zāi)的蔓延和擴(kuò)大。應(yīng)將油罐火災(zāi)時鄰近罐冷卻用水量計入消防